并联机构及并联机床

1.背景及意义

相对于传统串联机构，并联机构具有高刚度、高精度、高速性能好等诸多性能优点，因而被广泛地应用于汽车工业、航空工业、航天制造业等先进制造领域。而一类少自由度并联机构以及以其为核心模块搭建的混联机构，由于表现出更加优异的机加工性能而被诸多科研机构和工程研究人员所青睐。但是，现阶段成熟的并/混联机构制造技术多被国外研究机构及公司所掌握，并不为我国研究人员掌握。特别是，以并/混联机构为机械本体而搭建的并/混联多轴加工机床，在国内市场尚无与国外Sprint Z3、Tricept、Exechon等成熟并/混联数控机床或加工中心媲美的同类产品，相关研究院所亦缺乏开展该类装备研究与教学的演示教学设备。

本课题研究方向拟将一类少自由度并联机器人应用于并/混联多轴数控加工机床的搭建，并通过与现代数控技术以及智能制造技术的深度融合，形成一套面向高性能数控加工中高强度、轻量化、低变形大型结构件的整体成形要求的并/混联数控装备。研究不仅有望掌握可用于搭建并/混联机床的核心并联模块的关键设计技术，形成便于在当前国内机床制造工艺水平下推广应用的机床并联模块设计理论体系和工程应用范例，以期实现国内高档数控机床研发的突破性进展，同时进一步丰富和拓展并/混联机器人机构学理论研究，形成具有自主知识产权的并/混联数控装备，突破国外数控装备在该领域的垄断，对并联机器人的产业创新应用具有重要的理论和现实意义。

2.核心技术概括

课题组主要成员近年来一直从事机器人机构学、机械系统动力学和传动机构学方面的研究，在新型并联装备设计与应用以及复杂机械系统建模、仿真与优化设计方面具有较强的综合实力，特别是在并联装备领域积累了坚实的理论基础和丰富的工程实践经验。

课题组负责人及相关成员以多项国家科研基金为支撑，积极面向机器人产业发展前沿，并以一类3自由度过约束并联机器人为核心研究对象，先后攻克了该类并联机器人系统的一系列设计分析及应用难点，具体研究内容分解如下：

（1）机械结构优化设计：借助技术经济分析(体积/重量/工艺/成本等)、静刚度解析模型与虚拟样机设计技术，选择确有工程应用价值且性能优良的机械结构优化设计方案；

（2）运动学设计：以系统运动学性能指标为测度，施以适当工程约束，求解系统可达运动工作空间及优选工作范围，分析运动及结构奇异性，并进行系统集成运动仿真验证；

（3）静、动态设计：建立计及各关键部件与机架变形的静、动态解析模型，揭示系统工作全域内静、动态性能分布规律，并基于虚拟样机技术进行系统有限元分析模型快速重构、全域静、动态性能预估及智能优化；

（4）系统性能优化设计：基于CAD/CAE设计与零部件工艺制定，对作为核心功能模块的并联机器人以及制造系统进行结构轻量化设计与运动精度标定；

（5）康复机器人设计：基于对生物力学的分析，结合少自由度并联机器人的结构特征，进行踝关节康复机器人的设计与样机开发，并在此基础上进行脚踝关节主、被动康复策略研究与康复效果定量评价；

（6）并联机器人样机研制：在上述理论研究基础上，研制多台3自由度过约束并联机器人，以期实现复杂空间轨迹加工任务和机器人辅助的智能康复设备，并结合样机开展相关运动学性能测试，完善设计理论，形成测试规范。

（7）混联样机研制：通过将2UPR&1RPS&1RPU型并联机构模块与串联移动平台进行集成，项目组设计了一型具有5轴加工能力的混联机构，并将其作为混联教学演示样机的主体结构进行了进一步开发，详细设计了加强机架、装夹机构等辅助部分。

（8）数控系统硬件：项目组以雷赛多轴运动控制器为核心，将其与相应的伺服电机、伺服驱动器、电主轴等主要驱控部件集成，并在此基础上辅以滤波器、电子灭弧器、空气开关、变压器等配套零部件，搭建完整的多轴数控系统。项目组搭建的此多轴数控系统具有架构简单、便于实现、方便拓展、驱控精度高、多轴运动控制能力强的诸多优点。亦即，该多轴数控系统可根据具体的并/混联样机运动控制需求而选配不同数量、不同精度的伺服驱动器以及配套电机，实现模块化结构的同时，更能适应不同样机构型，提高设计的柔性。

（9）编程与界面设计：面向5轴混联教学演示样机的功能需求，项目组基于C#软件平台进行了该型多轴数控程序的编写，并设计了相应的软件界面，如图11所示。

3.技术特点

（1）以过约束冗余型并联机器人机构模块为核心部件搭建的该型数控机器人系统，兼具并联机器人机构的高刚度与高精度优势，可以进行复杂空间运行轨迹的高效实现。

（2）由模块化设计思想驱动的零部件设计，使得该型并联数控机器人装备的零部件通用性很强，部件量产成本有效降低，装备柔性与市场竞争力显著增强。

（3）面向冗余驱动型并联机器人机构的该型伺服控制系统，成功地解决了多冗余驱动支链的协同控制问题，实现了兼具冗余驱动与过约束特征的并联数控机器人装备的高效联动，结合虚机实电技术更是可以大幅缩短开发周期。

4.承担项目及理论成果

课题组负责人及其课题组先后承担包括航空科学基金在内的并联装备类科研项目6项，发表SCI\EI检索论文22篇次，申报技术发明专利6项，并进一步完成了多种典型并联机器人模块的理论建模分析与样机研发，这也为作为课题组项目技术核心的并联机器人理论及数控装备提供了必要的理论支撑和技术保障。